(57)【要約】【課題】  本発明は、触媒下流の酸素濃度情報をフィードバックして燃料噴射量や燃料噴射時期を制御するシステムに用いて好適の、エンジンの排ガス浄化装置に関し、タンデム触媒における２つの触媒の中間位置での酸素濃度を下流側センサからの検出値を用いて精度良く推定できるようにする。【解決手段】  エンジン１の排気通路２に上流側から順に第１の排気浄化触媒３１及び第２の排気浄化触媒３２を設けるとともに、第２の排気浄化触媒３２の下流側に排ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段５を設け、第２の排気浄化触媒下流の酸素濃度を、第１の排気浄化触媒３１と第２の排気浄化触媒３２との間の酸素濃度の一次遅れ系とみなし、上記一次遅れを考慮して酸素濃度検出手段５からの検出情報に基づいて第１の排気浄化触媒４と第２の排気浄化触媒５との間の酸素濃度を算出するように構成する。【選択図】        図１
2006017012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気通路に配設され、排ガス中の有害物質を浄化する第１の排気浄化触媒と、
該第１の排気浄化触媒に対して直列に配設されるとともに該第１の排気浄化触媒の下流側に配設された第２の排気浄化触媒と、
該第２の排気浄化触媒の下流側に設けられ、該第２の排気浄化触媒から排出された排ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
該第２の排気浄化触媒下流の酸素濃度を、該第１の排気浄化触媒と該第２の排気浄化触媒との間の酸素濃度の一次遅れ系とみなし、該一次遅れを考慮して該酸素濃度検出手段からの検出情報に基づき該第１の排気浄化触媒と該第２の排気浄化触媒との間の酸素濃度を演算する演算手段とを有する
ことを特徴とする、エンジンの排ガス浄化装置。
【請求項２】
該第１の排気浄化触媒の上流側に設けられ、第１の排気浄化触媒に流入する排ガス中の酸素濃度を検出する上流側酸素濃度検出手段をそなえ、
該演算手段で算出された酸素濃度に基づき、該第１の排気浄化触媒の上流側における酸素濃度の目標値を設定するとともに、該上流側酸素濃度検出手段で検出された酸素濃度の実測値と該目標値との偏差がなくなるように、燃料噴射量をフィードバック制御する
ことを特徴とする、請求項１記載のエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項３】
該演算手段は、下式により該第１の排気浄化触媒と該第２の排気浄化触媒との間の酸素濃度ＲＯ2mを演算する
ことを特徴とする、請求項１又は２記載のエンジンの排ガス浄化装置。
ＲＯ2m＝〔ＲＯ2(n)−ｋ・ＲＯ2(n-1)〕／（１−ｋ）
ただし、ｋはフィルタ定数、ＲＯ2(n)は今回検出された第２の排気浄化触媒の下流の酸素濃度、ＲＯ2(n-1)は前回検出された第２の排気浄化触媒の下流の酸素濃度。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒下流の酸素濃度情報をフィードバックして燃料噴射量を制御するシステムに用いて好適の、エンジンの排ガス浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、エンジンの排気通路に２つの触媒を直列に設けた技術が知られている。このような技術では、具体的には排気通路の上流側にフロント触媒（前段触媒）を配置するとともに、フロント触媒の下流側に床下触媒（後段触媒）を配置したものが広く知られている。そして、このように触媒を直列に配置することでフロント触媒の早期活性化を図ることができるとともに、触媒に十分な容量を持たせることができる。
【０００３】
また、例えば特許文献１には、２つの触媒を直列に且つ一体的に設けるとともに（以下、このような触媒をタンデム触媒という）、上記タンデム触媒の上流部と下流部とにそれぞれＯ2センサを設け、これらのＯ2センサからの情報に基づいて点火プラグや燃料噴射弁の作動を制御するようにした技術が開示されている。
【特許文献１】特開２０００−１２０４３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述したようなタンデム触媒では、上流部のＯ2センサと下流部のＯ2センサとを用いて空燃比を制御する場合、制御性を考慮すると、タンデム触媒内の２つの触媒の中間位置の排気空燃比を用いて目標空燃比を設定するのが好ましい。これは、上流側のＯ2センサと下流側のＯ2センサの間の遅れが大きすぎるとシステムが不安定となったり、十分な排ガス低減効果を得られないことがあるからである。
【０００５】
しかしながら、このようなタンデム触媒では、コストやレイアウト上の制約から２つの触媒の中間位置にセンサを設けることができない場合があり、このような場合には２つの触媒の中間での排気空燃比を得ることができないという課題がある。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、タンデム触媒における２つの触媒の中間位置での排気空燃比（酸素濃度）を下流側センサからの検出値を用いて精度良く推定できるようにした、エンジンの排ガス浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の本発明のエンジンの排ガス浄化装置は、エンジンの排気通路に配設され、排ガス中の有害物質を浄化する第１の排気浄化触媒と、該第１の排気浄化触媒に対して直列に配設されるとともに該第１の排気浄化触媒の下流側に配設された第２の排気浄化触媒と、該第２の排気浄化触媒の下流側に設けられ、該第２の排気浄化触媒から排出された排ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、該第２の排気浄化触媒下流の酸素濃度を、該第１の排気浄化触媒と該第２の排気浄化触媒との間の酸素濃度の一次遅れ系とみなし、該一次遅れを考慮して該酸素濃度検出手段からの検出情報に基づき該第１の排気浄化触媒と該第２の排気浄化触媒との間の酸素濃度を演算する演算手段とを有することを特徴としている。
【０００７】
また、請求項２記載の本発明のエンジンの排ガス浄化装置は、上記請求項１の構成に加え、該第１の排気浄化触媒の上流側に設けられ、第１の排気浄化触媒に流入する排ガス中の酸素濃度を検出する上流側酸素濃度検出手段をそなえ、該演算手段で算出された酸素濃度に基づき、該第１の排気浄化触媒の上流側における酸素濃度の目標値を設定するとともに、該上流側酸素濃度検出手段で検出された酸素濃度の実測値と該目標値との偏差がなくなるように、燃料噴射量をフィードバック制御することを特徴としている。
【０００８】
また、請求項３記載の本発明のエンジンの排ガス浄化装置は、該演算手段は、下式により該第１の排気浄化触媒と該第２の排気浄化触媒との間の酸素濃度ＲＯ2mを演算することを特徴としている。
ＲＯ2m＝〔ＲＯ2(n)−ｋ・ＲＯ2(n-1)〕／（１−ｋ）
ただし、ｋはフィルタ定数、ＲＯ2(n)は今回検出された第２の排気浄化触媒の下流の酸素濃度、ＲＯ2(n-1)は前回検出された第２の排気浄化触媒の下流の酸素濃度。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のエンジンの排ガス浄化装置によれば、２つの排気浄化触媒の中間位置に酸素濃度検出手段を取り付けることができない場合であっても、第２の排気浄化触媒の下流側に設けた酸素濃度検出手段の情報から２つの排気浄化触媒の中間位置の酸素濃度を精度良く求めることができる（請求項１）。
また、演算手段で算出された２つの排気浄化触媒の中間位置の酸素濃度に基づいて第１の排気浄化触媒の上流側における酸素濃度の目標値を設定するとともに、実測値と目標値との偏差がなくなるように燃料噴射量をフィードバック制御するという構成により、排ガスの浄化効率を向上させることができる（請求項２）。
【００１０】
また、第１の排気浄化触媒と第２の排気浄化触媒との間の酸素濃度を比較的平易な式により求めることができるので、演算手段への負荷が少ないという利点がある。また、このような簡素なロジックにより酸素濃度を算出するので、すでに設けられている制御装置（ＥＣＵ）等に簡単な計算プログラムを追加するのみでよく、コスト増を招くこともないという利点がある（請求項３）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面により、本発明の一実施形態にかかるエンジンの排ガス浄化装置について説明すると、図１はその全体構成を示す模式図であって、図２はその作用を説明するためのフローチャートである。
図１において、１はエンジン、２はエンジン１の排気通路、３は排気通路中に設けられた排気浄化触媒装置である。ここで、エンジン１は、本実施形態においてはポート噴射型火花点火式ガソリンエンジンが適用されている。
【００１２】
また、図示はしないが、エンジン１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグと燃料噴射弁（インジェクタ）とが取り付けられており、後述する制御手段（ＥＣＵ）６からの制御信号により点火プラグの点火時期やインジェクタの燃料噴射開始時期及び燃料噴射パルス幅（燃料噴射量）が制御されるようになっている。
また、排気通路２はエンジン１の排気マニホールド８に接続され、この排気通路２の途中に排気浄化触媒装置３が車両の床下位置に介装されている。排気浄化触媒装置３は、いわゆるタンデム触媒であって、排ガス中の有害物質を浄化する第１の三元触媒（第１の排気浄化触媒；以下、単に第１触媒という）３１と、上記第１の三元触媒３１よりも下流側に設けられ、やはり排ガス中の有害物質を浄化する第２の三元触媒（第２の排気浄化触媒；以下、単に第２触媒という）３２とを備え、これらの２つの触媒３１，３２が直列に且つ一体的に設けられている。
【００１３】
また、排気通路２の上記排気浄化触媒装置３よりも上流側及び下流側にはそれぞれ排ガス中の酸素濃度（排気空燃比）を検出する酸素濃度検出手段４，５がそれぞれ設けられている。このうち、第１触媒３１よりも上流側には上流側酸素濃度検出手段としてのリニアＡ／Ｆセンサ（ＬＡＦＳ）４が設けられており、第２触媒３２よりも下流側には酸素濃度検出手段としてのＯ2センサ５が設けられている。
【００１４】
なお、本実施形態では、上流側の酸素濃度検出手段としてリニアＡ／Ｆセンサ（ＬＡＦＳ）を適用し、下流側の酸素濃度検出手段としてＯ2センサを適用した場合について説明しているが、Ｏ2センサの代わりにＬＡＦＳを用いても良いし、逆にＬＡＦＳの代わりにＯ2センサを用いても良い。また、酸素濃度を検出しうるセンサであれば、これ以外のセンサを用いても良い。
【００１５】
また、図示するように、これらのセンサ４，５はいずれもＥＣＵ（制御手段）６に接続されている。また、ＥＣＵ６には吸入空気量を検出する吸入空気量センサ、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ及びエンジン負荷を検出する負荷センサ（いずれも図示略）等が接続されており、ＥＣＵ６では、エンジン負荷（スロットル開度）とエンジン回転数とに基づいて体積効率を求め、この体積効率とエンジン回転数とに応じて燃料噴射量や燃料噴射時期（燃料制御モード）を設定するとともに、点火プラグやインジェクタに対する制御信号を設定するようになっている。
【００１６】
そして、本実施形態では、排気浄化触媒装置３を通過する排ガス中の酸素濃度（排気空燃比）が最適となるように、下流側のＯ2センサ５からの情報に基づいて第１触媒３１の上流側の目標排気空燃比を設定し、この目標空燃比となるように燃料噴射量が設定されるようになっている。また、ＥＣＵ６では、第１触媒３１の上流側に設けられたＬＡＦＳ４で検出された実排気空燃比とＥＣＵ６で設定された目標排気空燃比との差を算出し、この差がなくなるように燃料噴射量をフィードバック制御するようになっている。
【００１７】
以下、具体的に説明すると、ＥＣＵ６には、第２触媒３２の下流に設けられたＯ2センサ５からの情報に基づいて、第１触媒３１と第２の三元触媒３２との間の酸素濃度を算出又は推定する演算処理部（演算手段）７が設けられている。ここで、Ｏ2センサ５で得られた酸素濃度（即ち、第２触媒３２の下流側酸素濃度）は、第１触媒３１と第２触媒３２との間の酸素濃度の一次遅れ系であるとみなすことができる。そこで、演算処理部７では、このような一次遅れを考慮して第１触媒３１と第２浄化触媒３２との間の酸素濃度を算出するようになっている。
【００１８】
次に、演算処理部７における計算手法について説明すると、第２触媒３２の下流側酸素濃度が第１触媒３１と第２触媒３２との間の酸素濃度の一次遅れ系であるとみなすことにより、まず下式（１）が成り立つ。なお、以下では、第１触媒３１と第２触媒３２との間の酸素濃度をＲＯ2m、今回検出された第２触媒３２の下流の酸素濃度をＲＯ2(n)、前回検出された第２触媒３２の下流の酸素濃度をＲＯ2(n-1)、フィルタ定数をｋ（０＜ｋ＜１）とする。
ＲＯ2(n)＝（１−ｋ）ＲＯ2m＋ｋ・ＲＯ2(n-1)    ・・・（１）
次に、上述の式（１）を変形して下式（２）が得られる。
（１−ｋ）ＲＯ2m＝ＲＯ2(n)−ｋ・ＲＯ2(n-1)    ・・・（２）
そして、式（２）の両辺を１−ｋで割ることにより、第１触媒３１と第２触媒３２と中間の酸素濃度ＲＯ2mが算出される〔下式（３）参照〕。
ＲＯ2m＝〔ＲＯ2(n)−ｋ・ＲＯ2(n-1)〕／（１−ｋ）  ・・・（３）
上述のようにして２つの触媒３１，３２の中間位置における酸素濃度ＲＯ2mが算出されると、ＥＣＵ６では、算出された酸素濃度ＲＯ2mに基づき第１触媒３１の上流側における酸素濃度の目標値を設定するようになっている。つまり、第１触媒３１を通過したあとの酸素濃度から、第１触媒３１の上流における酸素濃度の目標値を設定するようになっている。なお、この目標値は第１触媒における排気浄化率が最も高くなるような酸素濃度であって、例えばエンジン回転数やエンジン負荷毎に予めマップ化されている。
【００１９】
そして、ＬＡＦＳ４により第１触媒３１の上流の酸素濃度が検出されると、ＥＣＵ６ではＬＡＦＳ４の検出値と目標値との偏差が算出されるようになっており、この偏差がなくなるように、燃料噴射量が制御されるようになっている。なお、燃料噴射量は、基本的には、エンジン回転数とエンジン負荷とで求められる体積効率とエンジン回転数とから、基本となる目標平均空燃比を求め、この目標平均空燃比と吸入空気量とから基本燃料噴射量が算出されるようにになっている。そして、このようにして設定される基本燃料噴射量に対して、ＬＡＦＳ４で検出された実排気空燃比と目標瞬時空燃比（ＬＡＦＳ４で検出される空燃比の目標値）との差に応じて燃料噴射量を増大又は減少させることにより、実平均排気空燃比を目標平均空燃比に高精度に近づけるようになっている。
【００２０】
本発明の一実施形態に係るエンジンの排ガス制御装置は上述のように構成されているので、図２を用いてその作用を説明すると以下のようになる
まず、ステップＳ１において、今回の制御周期における第２触媒３２の下流の酸素濃度をＲＯ2(n)を取り込む。次に、ステップＳ２に進み、前回の制御周期で検出された第２触媒３２の下流の酸素濃度をＲＯ2(n-1)とステップＳ２で取り込んだＲＯ2(n)とを用いて、上記の式（３）に基づいて第１触媒３１と第２浄化触媒３２との間の酸素濃度ＲＯ2mを算出する。
【００２１】
そして、ステップＳ３では上記ステップＳ２で求めた酸素濃度ＲＯ2mに基づいて、第１触媒の上流側の酸素濃度（ＬＡＦＳ４の出力値）の目標値（目標瞬時空燃比）を設定する。次に、ステップＳ４でＬＡＦＳ４の出力値、即ち実際の酸素濃度を取り込み、その後、ステップＳ５において、上記ステップＳ３で設定された目標酸素濃度とステップＳ５で取り込まれた実酸素濃度との差がなくなるように燃料噴射量のフィードバック制御を実施する。最後にステップＳ６において、ステップＳ２における酸素濃度ＲＯ2(n)をＲＯ2(n-1)として今回の制御周期を終了する。
【００２２】
したがって、本実施形態に係るエンジンの排ガス浄化装置によれば、２つの排気浄化触媒３１，３２を直列に設けたタンデム触媒３において、２つの排気浄化触媒３１，３２の中間位置にＯ2センサ等の酸素濃度検出手段を取り付けることができない場合であっても、第２触媒３２の下流側のＯ2センサ５から２つの排気浄化触媒３１，３２の中間位置の酸素濃度を精度良く算出することができる。
【００２３】
また、演算処理部７で算出された２つの触媒３１，３２の中間位置の酸素濃度に基づいて第１触媒３１の上流側における酸素濃度の目標値を設定するとともに、ＬＡＦＳ４で得られた第１触媒３１の上流側酸素濃度の実測値と上記の目標値との偏差がなくなるように燃料噴射量をフィードバック制御するという構成により、排ガスの浄化効率を向上させることができ、システム全体の排ガス浄化性能の向上を図ることができる。
【００２４】
また、第１触媒３１と第２の排気浄化触媒３２との間の酸素濃度を比較的平易な式により求めることができるので、演算処理部６の負荷が少ないという利点がある。また、簡素なロジックにより２つの排気浄化触媒３１，３２の中間位置の酸素濃度を算出するので、すでに設けられているＥＣＵ６に計算プログラム追加するのみでよく、コスト増を招くこともないという利点がある。
【００２５】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。例えば、上述では第１の排気浄化触媒及び第２の排気浄化触媒としていずれも三元触媒を適用した場合について説明したが、例えば第１及び第２の排気浄化触媒については、ＮＯｘ触媒を適用しても良いし、他の触媒を適用しても良い。また、第１の排気浄化触媒の上流側に、いわゆるフロント触媒を設けてもよい。また、本実施形態では、一般的なポート噴射エンジンに本発明を適用した場合を説明しているが、このようなエンジンに代えて筒内噴射型火花点火式ガソリンエンジンに本発明を適用してもよく、エンジンの形式等にはなんら限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジンの排ガス浄化装置の要部構成を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るエンジンの排ガス浄化装置の作用を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００２７】
１  エンジン
２  排気通路
３１  第１の三元触媒（第１の排気浄化触媒）
３２  第２の三元触媒（第２の排気浄化触媒）
５  Ｏ2センサ（酸素濃度検出手段）
７  演算処理部（演算手段）
４  ＬＡＦＳ（リニアＡ／Ｆセンサ；上流側酸素濃度検出手段）
【図１】
2006017012.tif 000003
【図２】
2006017012.tif 000004